Другая ракета. Самой амбициозной научной миссией прошлого года следует признать американскую Лунную программу «Артемида». «Спектр» разобрался, как, когда и зачем люди полетят на Луну и на Марс

16 ноября сверхтяжелая ракета-носитель SLS (Space Launch System) вывела на орбиту космический корабль «Орион». Корабль дважды облетел Луну и вернулся на Землю. SLS на 15% мощнее чем «Сатурн V», на которой астронавты летали на Луну во времена программы «Аполлон», но вместо людей в капсуле на этот раз были только трое манекенов со встроенными инструментами для измерения полетных нагрузок и уровня космической радиации. На одном из манекенов специально были смоделированы ткани женских органов, так как планируемые на 24-25 года миссии «Артемида II» и «Артемида III» должны доставить сначала на лунную орбиту, а потом и на поверхность Луны первую женщину и первого темнокожего человека.

Но зачем?

Главный инспектор НАСА оценил, что программа “Артемида” с 2012 по 2025 год обойдется в 93 миллиарда долларов. Дороговато для символического жеста. Рекламные слоганы НАСА говорят, что “Артемида” будет первым шагом к освоению Марса. Но каким образом купленная за 100 млрд. долларов возможность паре людей походить по поверхности Луны приближает нас к освоению Марса? Да и зачем нам вообще нужны и Луна, и Марс? В чем на самом деле смысл программы “Артемида”?

 

Когда начинаешь разбираться в планах программы “Артемида”, понимаешь, что запуск SLS и “Ориона 16” ноября не был первой миссией программы, а “Артемида III” в 2025-м году и высадка астронавтов на Луне – не цель программы, и даже не начало ее основной фазы. Своих главных целей программа начнет достигать только в 2030-х годах, да и то, если все пойдет по разработанному НАСА плану. Впрочем, это не значит, что у программы нет более кратковременных целей, они есть, и главная их особенность в том, что они – на Земле.

Чтобы понять, каких целей и каким способом добивается программа “Артемида”, ее удобно разбить на три фазы:

• Фаза 1: 2022 - 2025 годы – профинансированные миссии программы, находящиеся в работе на сегодняшний день
• Фаза 2: 2026 - 2029 годы – запланированные НАСА миссии, которые, вероятно, будут профинансированы, если не случится чего-то непредвиденного
• Фаза 3: 2030 - 2034 годы – миссии предложенные НАСА в качестве ориентировки на будущее, финансирование их пока не обсуждается 

Первая фаза: подготовка

Первая миссия программы “Артемида” была запущена еще в декабре 2014-го года. Это был тест капсулы Орион: ее подняли на высокую околоземную орбиту, с которой капсула на скорости в 8,9 км/с вошла в атмосферу. Миссия успешно подтвердила, что капсула выдержит температуру в 2200°C и нагрузки, которые неизбежны при возвращении с Луны.

Еще раньше, в 2009-м году, был запущен автоматический аппарат LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter). Его запуск не был частью “Артемиды”, но аппарат доставил на орбиту Луны много важных инструментов для разведки лунной поверхности. Они измеряют температуры, мощность солнечной радиации и космических лучей на поверхности Луны, фотографируют и составляют высотные карты лунного ландшафта, а также исследуют содержание атомов водорода в лунном грунте и во льду в неосвещенных кратерах.

28 июня 2022 года был запущен лунный орбитальный аппарат CAPSTONE, задача которого заключается в том, чтобы протестировать окололунную навигационную систему и стабильность ранее не использовавшейся околопрямолинейной лунной гало-орбиты, на которой в будущем планируется построить лунную орбитальную станцию.

В 2024-м году в рамках “Артемиды II” команда из четырех человек облетит Луну на “Орионе” и вернется на Землю. “Артемида III”, как и две предыдущих миссии, предполагает запуск ракетой-носителем SLS корабля “Орион” с астронавтами на околоземную орбиту, откуда “Орион” уже на собственной тяге долетит до Луны и выйдет на лунную орбиту. Но что дальше? Садиться на Луну в “Орионе” нельзя: сесть-то он теоретически может, но, если сядет, ему не хватит топлива, чтобы взлететь с Луны и вернуться на Землю.

И тут в игру вступают Илон Маск и SpaceX. C начала 2010-х SpaceX с подачи Маска разрабатывала ракету Starship, “Звездолет”, для экспедиции на Марс. И хотя Маск в интервью отзывается о полетах на Луну несколько пренебрежительно, полететь на Марс “Звездолету” пока не удалось, а вот проводившийся НАСА конкурс на лучший лунный спускаемый аппарат Starship выиграл.

По плану SpaceX поднимут Starship на околоземную орбиту с помощью собственной ракеты-носителя. Потом помощью специальных грузовых ракет Starship на орбите заправят, и он полетит к Луне. На лунной орбите он состыкуется с “Орионом”, два человека с “Ориона” перейдут на Starship и спустятся на нем в один из кратеров на южном полюсе Луны. Там люди проведут около недели и совершат до четырех выходов на поверхность, используя Starship в качестве базы.

На поверхности астронавты будут выполнять задачу, которая объединяет все миссии всех космических агентств мира, и которая является наиболее долговременной из всех – задачу научного исследования космоса. Они будут собирать образцы лунного грунта с целью доставки на Землю и изучения их состава на наличие полезных ископаемых: льда, редких металлов, радиоактивных изотопов. Помимо того, что лунные ископаемые будут иметь огромную ценность при дальнейшем освоении Луны, они также могут рассказать об истории формирования Луны, Земли и всей Солнечной системы, потому что из-за отсутствия атмосферы активность солнечной радиации и история метеоритных бомбардировок отпечатываются на лунной поверхности как годовые кольца на деревьях, и, копая лунный грунт, эту историю можно читать глубоко в прошлое, вплоть до времен формирования самой Луны.

Но если задача научного изучения Вселенной не имеет конца, две важнейших кратковременных задачи, ради которых финансировалась программа “Артемида”, к тому моменту могут быть выполнены если не полностью, то в значительной степени. И как раз от необходимости их дальнейшего выполнения будет зависеть, продолжится ли освоение Луны или заглохнет, как после высадки на Луне первых людей во времена “Аполлона”.

Первая из этих задач – экономическая: создание новых рабочих мест и стимуляция развития высокотехнологичных производств в США и странах-партнерах. Например, компания Boeing, которая обещала построить первую и вторую ступени ракеты-носителя SLS к 2017-му за 6 миллиардов долларов, закончила ее только к 2022-му году и превысила бюджет вдвое. Но, несмотря на критику, компания развивается, бюджетные деньги осваиваются, люди работают. И это только одна компания – у программы “Артемида” более 3800 поставщиков и подрядчиков по всему миру. Ракету-носитель SLS делали Aerojet Rocketdyne, Boeing и Northrop Grumman. Орионом занималась Lockheed Martin, а сервисный модуль “Ориона”, дающий кораблю электроэнергию и тягу был сделан компанией Airbus в Германии по заказу Европейского космического агентства. И это не говоря о частных компаниях, таких как SpaceX, Blue Origin и Dynetics, которые участвовали в конкурсе на разработку лунного спускаемого аппарата. Поэтому вне зависимости от дальнейших успехов “Артемиды”, можно с уверенностью говорить, что она уже внесла большой вклад в современную высокотехнологичную экономику, хотя споры об эффективности расходования средств не утихнут, наверное, еще много лет.

Вторая задача – политическая. В начале XXI века Китай начал свою лунную программу «Чанъэ». В 2007-м и 2010-м годах китайцы успешно запустили на лунную орбиту исследовательские спутники, а в 2013-м посадили на лунную поверхность спускаемый аппарат с научными приборами и первым за 40 лет луноходом. В 2018-м они первыми доставили аналогичный аппарат на обратную сторону Луны. А в 2020-м году в рамках 3-й фазы программы автоматический аппарат “Чанъэ-5” совершил посадку на Луне, взял пробу лунного грунта и успешно вернулся на Землю. На 23-24 годы планируется запуск еще одного автоматического зонда, который исследует географию и геологию картеров на южном полюсе Луны и привезет оттуда образцы.

Таким образом, на сегодняшний день Китай является мировым лидером по роботизированному исследованию лунной поверхности, и останавливаться на уже выполненных миссиях он не собирается. Именно это, скорее всего, явилось, как и во времена первой космической гонки, главным стимулом к возобновлению американской лунной программы. Америка не собирается уступать Китаю звание главной технологической сверхдержавы. С одной стороны, такое политическое соперничество является очень хорошим стимулом, но с другой, политический курс страны может поменяться очень быстро, особенно под влиянием экономического или политического кризиса, а на освоение Луны нужны десятилетия непрерывной работы.

Вторая фаза: орбитальная станция и разведка

Если поверить, что освоение Луны будет продолжаться, почему целью большинства миссий оказываются кратеры на южном полюсе, и зачем всем так нужен лёд? 

Миссии “Артемиды” с IV по VI запланированные на 26-29-й годы, будут продолжать разведку и изучение лунной поверхности, а также начнут строительство лунной орбитальной станции Gateway. Артемида IV должна доставить первый жилой модуль, следующие миссии присоединят к нему заправочно-коммуникационный и шлюзовой модули, чтобы станция могла быть полноценным перевалочным пунктом на пути к Луне. Именно к станции Gateway в будущем должны пристыковываться и прилетающие с Земли капсулы, и спускаемый на поверхность Starship. Главной же миссией “Артемиды” до начала 2030-х годов останется разведка лунной поверхности с целью определить оптимальное место для будущей лунной базы. Но где оно должно быть?

В июне 2009-го, одновременно с исследовательским спутником LRO, был запущен и другой аппарат – LCROSS. Подлетев к Луне, он сбросил в один из кратеров свой пустой разгонный блок массой более двух тонн на скорости в 9000 км/ч. Сила удара соответствовала двум тоннам тротила и выбросила вверх облако газа и пыли высотой 1,6 км, после чего LCROSS пролетел его насквозь, анализируя состав поднятого ударом вещества. Обнаруженная в облаке вода подтвердила разрабатывавшуюся с конца 90-х гипотезу о том, что в кратерах на полюсах Луны под небольшим слоем пыли могут находиться залежи льда.

Когда на поверхность Луны попадает солнечный свет, она нагревается выше 100°C, и поэтому раньше считалось, что на Луне воды быть не может. Но на полюсах солнечный свет идет практически параллельно поверхности, а значит даже невысокие стенки кратеров могут создавать там области вечной тени, куда свет не попадал последние несколько миллиардов лет, и не мог испарить воду, конденсировавшуюся там, когда Земля еще была молодой.

На ближайшие годы и Америкой, и Китаем, и другими странами запланированы роботизированные миссии по исследованию грунта полярных кратеров, чтобы начать строительство лунной базы в месте с наиболее богатыми запасами льда. Почему всем так нужен именно лед? Очевидно, что для выживания лунной колонии в течение даже нескольких месяцев нужно довольно много воды. Вода может понадобиться не только для питья, но и для выращивания растений и поддержания искусственных экосистем, которые, возможно, будут там создаваться. При нынешних технологиях доставка 1 кг груза на Луну стоит около 2 миллионов долларов. Доставить один раз буровую установку будет стоить намного дешевле, чем каждый раз возить воду с собой.

Но самым ценным веществом на Луне будет ракетное топливо, которое нужно для выхода на орбиту и возвращения астронавтов домой. Его нужно больше, чем питьевой воды, а доставлять его на Луну сложнее. И как раз для получения ракетного топлива лед нужен в первую очередь. В простой электрохимической реакции, энергию для которой можно получить с помощью солнечных батарей, вода разлагается на водород и кислород. Жидкий кислород и жидкий водород являются одними из наиболее эффективных типов ракетного топлива, и хранить их в областях вечной тени при температуре -150°C будет довольно легко.

Это дает нам понимание первой среднесрочной цели освоения Луны – логистической. Сейчас большинство запускаемых с Земли ракет – одноразовые, они стоят очень дорого и поднимают грузы, в основном, на околоземную орбиту. Для исследования и освоения более дальнего космоса нужна перевалочная база, где космические корабли могли бы дозаправляться, чтобы совершать дальние или многоразовые перелеты. Поднимать топливо с поверхности Луны, где гравитация в 6 раз меньше земной, чтобы заправлять летящие от Земли ракеты на орбите, будет намного дешевле. А благодаря отсутствию атмосферы, которая на Земле мешает летать ракетам, запускать различные аппараты с Луны будет намного легче и удобнее. Именно поэтому НАСА говорит о Луне как о первом шаге на пути к Марсу, да и не только Марсу, а ко всем остальным планетам и спутникам Солнечной системы.

Также на станции Gateway можно будет проводить испытания по долговременному выживанию людей в условиях глубокого космоса. МКС находится всего в 400 км от Земли и защищена от значительной доли космической радиации верхним слоем атмосферы и магнитным полем Земли. Около Луны, на расстоянии 400 000 км от Земли, такой защиты не будет. Не надо забывать и о психологических эффектах пребывания на таком большом расстоянии от Земли, где помощи в случае ЧП ждать не приходится. Реакции людей на все это надо испытывать, если мы хотим в какой-то момент отправить их к Марсу.

Но пока что до строительства лунной базы еще далеко. Первым жилищем для астронавтов на Луне будет спускаемый аппарат Starship. В 2028 году в рамках “Артемиды V” планируется доставить на поверхность открытый ровер, в котором астронавты смогут ездить по поверхности и совершать более дальние разведывательные экспедиции. “Артемида VII” должна доставить на поверхность Луны герметичный ровер, который на сегодняшний день начинают разрабатывать Японское аэрокосмическое агентство (JAXA) и компания Toyota. Предполагается, что герметичный ровер будет практически лунным домом на колесах, где астронавты смогут жить без скафандров и отправляться в далекие путешествия.

Такого рода разработки подводят нас к еще одной задаче, которой в средней и долгосрочной перспективе служат такие необычные и сложные программы, как освоение Луны. Они всегда оказываются катализаторами для разработки новых технологий, а те в дальнейшем находят неожиданное применение в разных областях быта и экономики. Например, во времена первой космической гонки в НАСА были разработаны портативные приборы для очистки воды, легкие дыхательные маски (сегодня их используют пожарные), прочные и термостойкие полимерные ткани. Также для программы “Аполлон” была развита технология беспроводных электроинструментов для работы с лунным грунтом.

Мы не знаем, какая из разрабатываемых сегодня для “Артемиды” технологий сможет помочь нам в будущем, но одним из кандидатов может быть технология гибких проводников из углеродных нанотрубок, разработанная для новых лунных скафандров. Одной из главных проблем при работе на лунной поверхности во времена программы “Аполлон” была лунная пыль. Она состоит из микроскопических частичек лунного грунта с бритвенно-острыми краями, которые не стачиваются из-за отсутствия атмосферы. Солнечный ветер заряжает эти частицы, и они электростатически пристают к любой поверхности. Из-за лунной пыли старые скафандры выходили из строя всего за пару дней работы на поверхности Луны, а попадавшая вместе с ними внутрь корабля заряженная пыль вызывала поломки электроники. В новых скафандрах в верхний слой ткани вшиты углеродные нанотрубки, которые позволяют создавать электростатическое напряжение в 1000 вольт, которое отталкивает до 96% заряженных частиц. Вполне возможно, что такие гибкие и легкие проводники когда-то будут использоваться в гаджетах, доступных и простым смертным.

Третья фаза: лунная база и полезные ископаемые

Первый стационарный модуль для лунной базы должен быть доставлен в начале 2030-х годов “Артемидой VIII”. Хотя на самом деле время и место строительства станции будет очень сильно зависеть от успеха миссий по разведке залежей льда. Если окажется, что льда на поверхности Луны мало, или что добраться до него сложно, будущее лунной программы окажется под вопросом.

Но если лед найдут, останется только решить, где и как строить базу. На поверхности Луны людям жить чуть легче, чем на орбите, потому что есть хоть какая-то гравитация, но вопрос защиты от космической радиации остается открытым. Скорее всего, защищаться от нее будут с помощью лунного грунта, насыпая его поверх жилых модулей, чтобы остановить большинство заряженных частиц, космических лучей, да и маленьких метеоритов тоже. Поэтому лунные колонисты, вполне возможно, будут жить в землянках.

Или в пещерах. На поверхность Луны выходят лавовые туннели, оставшиеся со времен формирования Луны, диаметром до километра и ведущие в огромные подлунные пещеры. Вполне возможно, что именно в таких туннелях будет легче установить жилые модули, которые будут защищены от радиации и метеоритов. Кстати, недавние расчеты показали, что эти туннели должны сохранять внутри солнечное тепло, и температура там может быть вполне комфортной – 10-15°C.

Когда же строительство лунной базы будет завершено, можно будет приступать к долговременной задаче – добыче на Луне полезных ископаемых. Лед ценен на Луне, но привозить его на Землю не имеет смысла, в отличие от редких металлов, таких, например, как торий (Th), концентрация которого в ториевой аномалии Комптона-Белковича в 88 раз выше, чем в среднем в рудах на Земле.

Но самым ценным лунным ресурсом может стать гелий-3 – легкий изотоп гелия, который может быть использован в реакциях термоядерного синтеза. Энергетически самой легкой для запуска реакцией термоядерного синтеза является взаимодействие дейтерия и трития (изотопов водорода с одним и двумя нейтронами в ядре). Дейтерий легко добыть из воды, а вот тритий получается только в специальных реакторах, и то в мизерных количествах, поэтому его будет недостаточно для работы больших электростанций. Вместо трития можно использовать гелий-3, и если человечество сумеет построить термоядерную энергетику, лунные залежи гелия-3, образующегося в лунном грунте под действием солнечной радиации, станут очень востребованными. Сегодня гелий-3 стоит около 1400 долларов за грамм. Предположительно, на Луне около миллиона тонн гелия-3, что даст в сумме почти полтора миллиона миллиардов долларов. Такие богатства привлекают все страны мира, поэтому в рамках программы “Артемида” были даже предложены специальные соглашения, которые предполагают запрет на присвоение отдельными странами лунных ресурсов. Правда, ни Китай, ни Индия, ни Россия их пока не подписали.

Будущее

Если программа “Артемида” окажется успешной, все перечисленные выше задачи можно будет поставить опять, но уже на новом уровне. Развитие Луны как базы для освоения дальнего космоса будет мощным стимулом для экономики, с нее же сможет стартовать третья космическая гонка – к Марсу. Луна станет площадкой для развития новых технологий и “седьмым континентом”, который можно будет обживать и везти с него ресурсы на Землю. И, как и всегда, останется задача научного исследования истории Земли, Луны, Солнечной системы и Вселенной, теперь уже с помощью нового поколения научных инструментов, поддерживаемых лунной системой логистики.